基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置及方法与流程

技术特征：

1.一种基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置，其特征在于：包括移动加载车和微波雷达设备，所述移动加载车行驶于待测量桥梁，移动加载车中安装有信号发送与采集系统、数据分析系统、无线传感器、车轮旋转编码器和激光测距仪；

所述信号发送与采集系统分别与无线传感器、微波雷达设备通信相连，用于发送和采集信号，发送的信号使得移动加载车上无线传感器和桥梁下方的微波雷达设备同时开始采集数据，采集的信号包括无线传感器的数据与桥梁测量点位移时程数据；

所述数据分析系统与信号发送与采集系统连接，利用内嵌的考虑基点运动的结构动力特征识别方法及安全与承载能力评定准则，对所采集的数据进行自动化分析，快速输出测试与评估结果；

所述车轮旋转编码器与激光测距仪分别用于确定移动加载车在桥面的纵向与横向的位置。

2.一种基于权利要求1所述的微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)完成桥梁动力测试中输入输出数据的快速监测：

移动加载车对桥梁进行移动式冲击激励进而获得移动式冲击力的连续时程u_contact(t)，同时微波雷达设备在桥梁下自动划分测量节点并测量车辆通过过程中桥梁节点的振动响应位移时程y_k(t)；移动加载车与桥梁之间的相互作用力时程通过分配函数离散到测量节点处u_k(t)。(2)利用子空间识别方法识别桥梁的模态参数与模态柔度，完成桥梁性能评估：

将移动式冲击力离散化到各测量节点上，通过相减消除基点运动对结构识别的影响，子空间技术识别结构模态参数，利用振型正交性还原出真实的振型，利用还原的振型识别结构的柔度。

3.根据权利要求2所述的基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置的测试方法，其特征在于：所述步骤(2)中，利用消除基点运动影响后的位移向量作为观测向量，而不是直接观测值y_k，进行结构的子空间模态参数识别；消除基点运动影响的公式为：

基点有竖向振动时：

基点有水平振动时：

基点有竖向、水平耦合振动时：

${\stackrel{\‾}{y}}_k=K_3(y_k-y_k^n)-\frac{1}{{\mathrm{tan\α}}_m-{\mathrm{tan\α}}_n}{K}_1(y_k^m-y_k^n);$

其中：y_k∈R^l×1代表观测向量，即为雷达测量的位移向量；分别为第m，n个测量点的测量值；k代表离散的时间间隔；α₁，α₂，α₃，…，α_l分别为目标点与水平方向的夹角；

K₁＝[1 1 … 1]^T∈R^l×1，K₂＝diag(cotα₁,cotα₂,…,cotα₁)；

$\begin{array}{c}{K}_3=\\ diag\left(\frac{1}{{\mathrm{tan\α}}_1-{\mathrm{tan\α}}_n},\frac{1}{{\mathrm{tan\α}}_2-{\mathrm{tan\α}}_n},\mathrm{...},\frac{1}{{\mathrm{tan\α}}_{n-1}-{\mathrm{tan\α}}_n},0,\frac{1}{{\mathrm{tan\α}}_{n+1}-{\mathrm{tan\α}}_n},\mathrm{...},\frac{1}{{\mathrm{tan\α}}_l-{\mathrm{tan\α}}_n}\right);\end{array}$

diag代表对角矩阵，对角线上的元素为括号中的值；

利用相对位移识别出的频率和阻尼均与真实值一致，但识别出的模态振型和位移柔度需要进行特殊处理。

4.根据权利要求3所述的基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置的测试方法，其特征在于：所述识别出的振型与真实振型相比丢失作为参考点处的振型值；下面利用识别出的振型和真实振型之间的数学关系、真实振型互相之间的振型正交性，还原出真实的结构动力特性，采用的公式为：

基点有竖向振动：

${({\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_i+K_1{\mathrm{\φ}}_i^m)}^T({\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_j+K_1{\mathrm{\φ}}_j^m)=0,i\≠j$

求解还原出丢失了作为参考点处的振型的值则结构的振型为：

${\mathrm{\φ}}_i={\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_i+K_1{\mathrm{\φ}}_i^m,i=1,2,...,n$

基点有水平振动：

${\left({K_2}^{-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_i+{K_2}^{-1}\cot \left({\mathrm{\α}}_m\right)K_1{\mathrm{\φ}}_i^m\right)}^T\left({K_2}^{-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_j+{K_2}^{-1}\cot \left({\mathrm{\α}}_m\right)K_1{\mathrm{\φ}}_j^m\right)=0,i\≠j$

求解还原出丢失了作为参考点处的振型的值则结构的振型为：

${\mathrm{\φ}}_i={K_2}^{-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_i+{K_2}^{-1}\cot \left({\mathrm{\α}}_m\right)K_1{\mathrm{\φ}}_i^m,i=1,2,...,n$

基点有竖向、水平耦合振动时：

$\begin{array}{c}{\left({K_3}^{-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_i+{\mathrm{\φ}}_i^n+{K_3}^{-1}\frac{1}{{\mathrm{tan\α}}_m-{\mathrm{tan\α}}_n}{K}_1\left({\mathrm{\φ}}_i^m-{\mathrm{\φ}}_i^n\right)\right)}^T({K_3}^{-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_i+{\mathrm{\φ}}_i^n+\\ {K_3}^{-1}\frac{1}{{\mathrm{tan\α}}_m-{\mathrm{tan\α}}_n}{K}_1\left({\mathrm{\φ}}_i^m-{\mathrm{\φ}}_i^n\right))=0,i\≠j\end{array}$

求解还原出丢失了作为参考点处的振型的值则结构的振型为：

${\mathrm{\φ}}_i={K_3}^{-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_i+{\mathrm{\φ}}_i^n+{K_3}^{-1}\frac{1}{{\mathrm{tan\α}}_m-{\mathrm{tan\α}}_n}{K}_1({\mathrm{\φ}}_i^m-{\mathrm{\φ}}_i^n),i=1,2,...,n$

其中，为通过子空间识别技术识别的第i阶振型；φ_i为相对应的真实的第i阶振型；为φ_i的第m行，为φ_i的第n行。

5.根据权利要求3所述的基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置的测试方法，其特征在于：所述识别的位移柔度是在移动式冲击连续力作用下进行的柔度识别：冲击连续力离散分配到测量节点处，利用还原的模态参数与所识别的结构的频响函数结合，计算出结构的模态缩放系数，从而识别出结构的柔度，具体过程为：

移动式冲击连续力的分配：

u_k(t)＝Nu_contact(t)

模态缩放系数采用的公式为：

$\frac{q_i{\mathrm{\φ}}_i{\mathrm{\φ}}_i^T}{jw-{\mathrm{\λ}}_{ci}}=\frac{{\mathrm{\φ}}_i{b}_i^m}{z-{\mathrm{\λ}}_i},z=e^{jw\mathrm{\Δ}t},i=1,2,...,n$

式中，q_i是模态缩放系数；φ_i利用阵型的正交性求得；是B^m的第i^th行，而B^m＝Ψ^-1B，A＝ΨΛΨ^-1，A和B是通过子空间技术直接识别系统矩阵；λ_i是对角矩阵Λ对角线上第i个元素，λ_ci＝lnλ_i/Δt；j是虚数符号，Δt是采样时间间隔；

求出模态缩放系数后，结构的柔度f为：

$f={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n/2}(\frac{q_i{\mathrm{\φ}}_i{\mathrm{\φ}}_i^T}{-{\mathrm{\λ}}_{ci}}+\frac{{q_i}^{*}{{\mathrm{\φ}}_i}^{*}{{\mathrm{\φ}}_i}^{*T}}{-{{\mathrm{\λ}}_{ci}}^{*}})$

式中，■^*代表矩阵的转置。